Forschung und Analyse von Drohnenbasierten Ersatztechnologien für die Wartung von Ultra-Hochspannungsleitungen

In einer bestimmten Region wurden nach der Wartung von UHV-Übertragungsleitungen folgende Probleme festgestellt: Bestehende Drohnen verfügen nicht über ausreichende Leistung, um den aktuellen großen und weiträumigen Inspektions- und Wartungsbedarf der UHV-Leitungen zu erfüllen. In der Praxis zeigen die Drohnen eine unzureichende Flugdauer, begrenzte Bildaufnahmefähigkeiten und geringe EMI-Widerstandsfähigkeit, was die Inspektionswirksamkeit beeinträchtigt und eine genaue Identifizierung von UHV-Leitungsfehlern verhindert.

Aufgrund der beträchtlichen Länge der UHV-Übertragungsleitungen und dem Einfluss der lokalen natürlichen Umgebungen können Drohnen mit Detektoreinrichtungen keinen langanhaltenden Flug aufrechterhalten, was die Inspektionswirksamkeit verringert. Im angeführten Fall erreichten sogar öl-elektrische Hybrid-Drohnen eine Flugdauer von weniger als 3 Stunden, was häufige Batteriewechsel während der Inspektionen erforderlich macht. Darüber hinaus fehlen den aktuellen drohnenbasierten Inspektionsystemen funktionelle Vollständigkeit – sie unterstützen keine multidimensionalen, multifunktionalen Inspektionsfähigkeiten –, was zu ungenügender Inspektionsgenauigkeit führt. Dies kann die Erkennung und Behandlung von Leitungsschäden oder anderen Fehlern verzögern und direkt die normale Stromübertragung beeinträchtigen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, hat unser Unternehmen eine neue UHV-Übertragungsleitungsinpektions-Technologie entwickelt, die einen an einer Drohne montierten robotischen Arm integriert. Diese Lösung ist speziell für die UHV-Infrastruktur in der Region und basierend auf der aktuellen Leistung von Drohnenanwendungen in der Leitungswartung konzipiert. Sie zielt darauf ab, die oben genannten Probleme zu lösen und dabei wichtige Anforderungen zu erfüllen: niedriger Energieverbrauch, verlängerte Flugdauer, niedrige Kosten, hohe Nutzlastkapazität und starke Umgebungswahrnehmung.

1.Technische Lösung: Drohnenmontierter Roboterarm für UHV-Leitungswartung
1.1 Konzept
Kritische Überlegungen bei dieser Technologie beinhalten Isolationsdesign, Bewegungssteuerung des robotischen Arms und unterstützende Subsysteme. Eine vernünftige technische Auslegung ist entscheidend, um bestehende UHV-Wartungsprobleme effektiv zu lösen und Implementierungshürden zu überwinden.

Unser Unternehmen hat die Isolationsanforderungen, die die UHV-Wartungsumgebung an den robotischen Arm stellt, umfassend evaluiert. Basierend darauf haben wir die maximale elektrische Feldstärke und Spannungsschwankungen, denen der Arm, die Rotoren, das Gestell und die Zelle in verschiedenen Abständen zu lebenden Leitern ausgesetzt sind, berechnet. Daraufhin wurden gezielte Leistungstests entworfen, um die nachfolgende Verfeinerung der technischen Lösung zu informieren.

Wir haben repräsentative UHV-Wartungsszenarien ausgewählt, um Standardbetriebsabläufe und Sicherheitsprotokolle zu definieren. Die mehrfachgradige Struktur des robotischen Arms wurde optimiert, um die am besten geeignete Drohne-Manipulator-Konfiguration zu identifizieren. Angesichts der einzigartigen Betriebsumgebung schlugen wir auch vor, die ursprüngliche Bildaufnahme-Hardware und Datenübertragungs-Software/Hardware im Fallbeispiel zu verbessern, um die Echtzeitbildqualität zu erhöhen.

1.2 Maßnahmen zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI)
Die UHV-Leitungen im Fall umfassen lange Spannweiten und Kreuzungen, was eine komplexe und dynamische elektromagnetische Umgebung schafft. Starke elektromagnetische Felder um die Leitungen herum und intensive Signale von nahegelegenen Kommunikationsbasisstationen können die Kommunikation des Drohnen-Manipulatorsystems stark stören. Darüber hinaus kann die langstreckige Datenübertragung während Manipulatorvorgängen zu Querstörsignalen führen, die die Betriebssicherheit gefährden.

Um dagegen anzugehen, schlägt unser Unternehmen folgende EMI-Schutzmaßnahmen vor:

• Analyse möglicher Schäden durch starke elektromagnetische Felder in der Nähe von UHV-Leitungen an der internen Schaltung der Drohne.

• Anwendung von Abschirmmaßnahmen auf der Oberfläche des Rumpfs, Signalkabeln und allen Gehäusefugen.

• Gleichmäßige Aufbringung eines leitfähigen Beschichtungsfilms mit spezifischer Dicke auf der Außenfläche der Drohne, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren. Für Bauteile, die sich nicht für eine Beschichtung eignen, wird Kupferdraht-Bonding verwendet, um eine gleichwertige Abschirmwirkung zu erzielen.

1.3 Strukturauslegung des robotischen Arms
Wie in Abbildung 1 gezeigt, besteht der robotische Arm aus:
(1) Greifer; (2) Servoschutzhülle; (3) Adapter für Nullwert-Detektor; (4) Adapter für Hochspannungsprüfer; (5) Isolierstab; (6) Begrenzungsstab; (7) Epoxyharz-Isolierschicht; (8) Gelenkspezifische Lagerhülse; (9) Verbindungsstab; (10) Rollenspezifische Lagerhülse.

Angesichts der Isolierungsanforderungen in UHV-Umgebungen schlägt unser Unternehmen vor, isolierte Bolzen zwischen der Unterseite der Drohne und dem Fahrwerk zu installieren. Ein Stahlrahmen verbindet die untere Seite der Isolierschicht mit der gelenkspezifischen Lagerhülse, die extern um ein Metalllager fixiert ist. Der Gelenkservo-Motor ist rechts vom Lager montiert und treibt das Gelenkmechanismus, um die Auf- und Abwärtsbewegung des robotischen Arms zu ermöglichen.

Angesichts der Störungen durch starke elektromagnetische Felder im Raum um die Übertragungsleitungen herum schlägt unser Unternehmen vor, die Servomotortreibkabel innerhalb des Isolierstabs zu installieren und den Servo mit einem speziellen isolierten Schutzgehäuse auszustatten. Dies isoliert den Servo effektiv von den elektromagnetischen Stößen, die durch die externe Hochspannungsumgebung erzeugt werden. Darüber hinaus wird Kupferdraht-Bonding an den Lücken um den Servo herum angewendet, um eine Gleichpotentialverbindung zu erreichen, wodurch das Risiko eines elektromagnetisch induzierten Durchschlags in der internen Schaltung des Servos reduziert wird.

2.Simulationsversuch der UHV-Übertragungsleitungsinspektion mit einem drohnenmontierten robotischen Arm
2.1 Simulationsdesign
Auf der Grundlage der Wartungsdaten der UHV-Übertragungsleitungen im Fallbeispiel wurden die folgenden strukturellen Parameter ermittelt: Die Gesamthöhe des Geradlinienturms beträgt 3200 mm; der große Schirmradius beträgt 2400 mm; der mittlere Schirmradius beträgt 3200 mm; der kleine Schirmradius beträgt 2700 mm; und der Leiterdurchmesser beträgt 17,48 mm, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Im Simulationsversuch wurden für die Propeller, den Rahmen und den Rumpf des Drohnen-Systems Kohlefasermaterialien ausgewählt, um die Gesamtleistung zu verbessern.

Unter Berücksichtigung des Einflusses des umgebenden räumlichen elektrischen Feldes auf drohnenbasierte Wartungsarbeiten an ultra-hochspannungsführenden (UHV) Übertragungsleitungen entwickelte unser Unternehmen zunächst ein Simulationsmodell des drohnenmontierten robotergestützten Inspektionsystems. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ermittelten wir den spezifischen Einfluss des elektrischen Feldes um UHV-Leitungen auf die Wartungsarbeiten mit der Drohne. Darüber hinaus analysierten wir die maximale elektrische Feldstärke und Spannungsänderungen, denen der Roboterarm, der Rumpf, die Rotoren und der Rumpf unter verschiedenen Abständen zwischen der linken Seite des Roboterarms und dem Leiter ausgesetzt sind. Dies ermöglicht es uns, abzuschätzen, ob potenzielle Sicherheitsrisiken bei Inspektionen in unmittelbarer Nähe bestehen.

2.2 Simulationsprozess
2.2.1 Leistung des Inspektionsystems in 0,84 m Entfernung von der UHV-Übertragungsleitung
Unser Unternehmen führte Simulationsversuche am drohnenmontierten robotergestützten Inspektionsystem durch, um dessen Betriebsstatus und die Verteilung des räumlichen elektrischen Feldes in der Nähe des Leiters bei einer Positionierung 0,84 m von der UHV-Übertragungsleitung entfernt weiter zu analysieren.

Die Simulationsergebnisse zeigten, dass unter dieser Arbeitsbedingung keine signifikanten negativen Effekte des elektrischen Feldes auf das gesamte Inspektionsystem beobachtet wurden. Allerdings wurde eine leichte Steigerung der elektrischen Feldstärke auf der linken Seite des Roboterarms festgestellt. Im Allgemeinen erhöht sich das Risiko eines Komponentenausfalls, wenn die lokale elektrische Feldstärke die Durchschlagsfestigkeit der Luft (30 kV/cm) übersteigt, was die Systemstabilität und -sicherheit beeinträchtigen kann.

Darüber hinaus ergab die Untersuchung der potenziellen (Spannungs-)Verteilung über die Systemkomponenten, dass die elektrische Spannung aller Komponenten mit zunehmendem Abstand zwischen dem drohnenmontierten Inspektionsystem und der UHV-Leitung entsprechend abnimmt. Aufgrund dieser Spannungsänderungen bestimmten wir die Spannungsniveaus und die maximalen elektrischen Feldstärken, denen jede Komponente im Wartungsumfeld ausgesetzt ist.

Wie in Tabelle 1 dargestellt, erlebt der Roboterarm bei einem Abstand von 0,84 m zur UHV-Leitung eine elektrische Feldstärke von 3712 V/m und eine Spannung von 2069 V. Ein Vergleich zwischen den linken und rechten Rotoren zeigte, dass der linke Rotor stets höhere elektrische Feldstärken und Spannungen als der rechte Rotor erfährt. Alle Daten deuten darauf hin, dass die elektrische Feldstärke bei diesem Betriebsabstand von 0,84 m deutlich unter der Durchschlagsgrenze der Luft liegt, wodurch kein Risiko von elektrischen Entladungen besteht und das drohnenmontierte robotergestützte Inspektionsystem sicher betrieben werden kann.

2.2.2 Leistung des Inspektionsystems in 0,34 m Entfernung von der UHV-Übertragungsleitung
Unser Unternehmen führte auch Simulationsversuche durch, um den Betriebsstatus des drohnenmontierten robotergestützten Inspektionsystems und die Verteilung des räumlichen elektrischen Feldes in der Nähe des Leiters bei einer Positionierung nur 0,34 m von der UHV-Übertragungsleitung entfernt zu analysieren.

Tabelle 1: Maximale elektrische Feldstärken und Spannungswerte, die den einzelnen Komponenten des drohnenmontierten robotergestützten Inspektionsystems entsprechen

Die Simulationsergebnisse zeigten, dass sich unter dieser Abstandsbedingung die räumliche elektrische Feldverteilung um die Leitungen auf der linken Seite des Roboterarms verändert. Aufgrund der einzigartigen Umgebung von UHV-Übertragungsleitungen sind starke elektrische Felder sehr anfällig für Bogenbildung und Oberflächenentladungen.

Gleichzeitig ergab die Analyse der potenziellen Schwankungen verschiedener Komponenten im System, dass mit zunehmendem Abstand zwischen dem drohengebundenen Inspektionsystem mit Roboterarm und der UHV-Übertragungsleitung das elektrische Potential aller Komponenten entsprechend abnimmt.

Laut den Daten in Tabelle 2 überschreitet die maximale elektrische Feldstärke, die jede Komponente des Systems erfährt, wenn das Inspektionsystem 0,34 m von der UHV-Übertragungsleitung entfernt positioniert ist, nicht die Dielektrische Zerspannungsspannung der Luft. Es wird daher geschlossen, dass während des Wartungsvorgangs kein Durchschlagrisiko besteht, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit des drohengebundenen Inspektionsystems mit Roboterarm in praktischen Anwendungen gewährleistet.

Tabelle 2: Maximale elektrische Feldstärken und Spannungswerte, die den einzelnen Komponenten des drohengebundenen Inspektionsystems mit Roboterarm entsprechen

2.3 Störfestigkeitsprüfungen des an einem Drohnenarm montierten Roboters bei der Übertragungsleitungswartung

Für den Test der Schildleistung der Drohne umfasste die Testausrüstung eine mit leitfähiger Farbe beschichtete Drohne und ein Multimeter. Die leitfähige Farbe wurde gleichmäßig auf die Oberfläche der Drohne aufgetragen, wobei die Dicke 0,05 mm nicht überschreiten durfte. Unter normalen Umgebungsbedingungen wurde der interne Widerstand zwischen zwei Punkten auf der Oberfläche der Drohne gemessen; ein Wert von weniger als 1 Ω deutet auf die Einhaltung des vorgeschriebenen Standards hin.

Bildverzerrungstest: Bei der Anwendung der Technologie des an einer Drohne montierten Roboters für Leitungsinpektionen kann es aufgrund von Faktoren wie der inhärenten Genauigkeit der Kameralinse am Gimbal und der Qualität der Montageprozesse zu Bildverzerrungen kommen. Solche Verzerrungen führen zu Abweichungen zwischen den erfassten Bildern und der tatsächlichen Szene, was möglicherweise die Fähigkeit des Wartungspersonals, Fehler oder Mängel an UHV-Übertragungsleitungen genau zu identifizieren, beeinträchtigen könnte.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelte unser technisches Team ein Modell zur Korrektur von Bildverzerrungen basierend auf den Verzerrungseigenschaften der Kameralinse am Gimbal. Dieses Modell wird durch die folgende Formel ausgedrückt:

In der Formel:
x,y sind die ursprünglichen Koordinaten eines tangential verzerrten Punktes im Abbildungssystem;
x′,y′ sind die neuen Koordinaten des Punktes nach der Verzerrungskorrektur;
p1,p2 sind die tangentialen Verzerrungsparameter;
r ist der radiale Abstand vom Bildzentrum.

Die Verzerrung der Kameralinse lässt sich hauptsächlich in zwei Arten einteilen: tangential und radial. Tangentialverzerrungen entstehen vor allem, weil die Linsenelemente und die Bildfläche der Kamera nicht vollständig parallel sind. Radiale Verzerrungen dagegen treten auf, weil Lichtstrahlen an Positionen, die weiter vom optischen Zentrum der Linse entfernt sind, stärker gebogen werden, was zu Verzerrungen entlang der radialen Richtung der Linse führt. Radiale Verzerrungen können durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

In der Formel:
x,y sind die ursprünglichen Koordinaten eines radial verzerrten Punktes im Abbildungssystem;
x′,y′ sind die neuen Koordinaten des Punktes nach der Verzerrungskorrektur;
k1,k2,k3 sind die radialen Verzerrungsparameter;
r ist der radiale Abstand vom Bildzentrum.

Auf dieser Grundlage schlägt unser Unternehmen vor, die Methode von Zhang zur Identifizierung der radialen Verzerrungskomponenten, die das Bild am stärksten beeinflussen, und zur Rekonstruktion der Modellparameter zu verwenden. Dies ermöglicht eine gegenseitige Zuordnung zwischen den Objektkoordinaten in einem definierten Weltkoordinatensystem und den Pixelkoordinaten in der Bildfläche, wodurch die Kalibrierung der Kamera am Gimbal abgeschlossen wird. Dieser Ansatz mindert effektiv den Einfluss von Toleranzen bei der Herstellung der Linse und der Montageprozesse auf die Bildgenauigkeit, erhöht die Bildklarheit und stellt sicher, dass hochauflösende Bilder von UHV-Übertragungsleitungen in Echtzeit ohne Verzögerung an das System übertragen werden. Dies bietet dem Wartungspersonal verlässliche visuelle Daten, um präzise zu beurteilen, ob an den Leitungen Fehler oder Mängel vorhanden sind.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in diesem Artikel vorgeschlagene Inspektions-Technologie des an einer Drohne montierten Roboters die aktuellen Anforderungen an die Wartung von UHV-Übertragungsleitungen bezüglich geringem Energieverbrauch, langer Flugdauer, niedriger Kosten, hoher Nutzlastkapazität und starker Umgebungswahrnehmung erfüllt. Sie überwindet wichtige technische Engpässe bei der Ersetzung traditioneller manueller Inspektionsmethoden durch Drohnen, hebt das Gesamtniveau der Wartungsoperationen und stärkt die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Stromübertragung und -versorgung.